WO2015140372A1

WO2015140372A1 - Procedimiento para la detección automática de fallos en el funcionamiento de sistemas fotovoltaicos centralizados e instalación para la puesta en práctica del mismo

Info

Publication number: WO2015140372A1
Application number: PCT/ES2015/070161
Authority: WO
Inventors: Rodrigo MORETÓN VILLAGRÁ; Eduardo Lorenzo Pigueiras; Luis Narvarte Fernandez; Jonathan Leloux
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: ES2481091A1

Abstract

El procedimiento se basa en realizar el análisis de la disponibilidad energética del sistema fotovoltaico centralizado, estando este compuestos por varias unidades de producción equiparables que comprenden un generador fotovoltaico (1), un inversor (2) y un contador de energía (3), complementándose con un registrador (4) mediante el que se consiguen o se obtiene los datos de energía generada por el contador de energía (3). El procedimiento comprende la fase de calcular la relación entre las productividades de las distintas unidades de producción equiparables, así como identificar los fallos y la falta de estabilidad en la evolución temporal de dicha relación.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCION AUTOMATICA DE FALLOS EN

EL FUNCIONAMIENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CENTRALIZADOS E INSTALACIÓN PARA LA PUESTA EN PRÁCTICA DEL MISMO D E S C R I P C I O N OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento/instalación, para la detección automática de fallos en el funcionamiento de sistemas fotovoltaicos centralizados, basándose en el análisis de su disponibilidad energética.

El procedimiento se basa en que a partir de los registros de la energía generada por cada unidad de producción de la central, y que se obtiene a partir de un registrador, se lleva a cabo el cálculo de la relación entre las productividades de las distintas unidades, así como la identificación de los fallos y falta de estabilidad en la evolución temporal de dicha relación.

La invención se encuadra en el sector técnico correspondiente a la generación de energía eléctrica y de forma mas concreta al campo de las centrales fotovoltaicas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los últimos años, al abrigo de un marco legal incentivador de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica, se produjo un "boom" en su instalación tanto en España como en otros países europeos. Actualmente, se están poniendo en marcha marcos incentivadores similares en otros países. La rápida evolución del mercado junto con su dimensión creciente, hacen que existan lagunas técnicas, que están siendo demandadas por la industria. Esta invención pretende dar respuesta a una de ellas, a saber, la falta de procedimientos fiables y automáticos para la detección de fallos en el funcionamiento de las centrales que derivan en pérdidas en la producción.

En el campo del análisis del funcionamiento de las instalaciones fotovoltaicas, el estado de la técnica se ha centrado hasta el momento en la incorporación de sistemas de monitorización que registren los principales parámetros que definen el funcionamiento del sistema. En particular, está regulado el modo en que se deben medir las variables, así como el modo en que se deben intercambiar y analizar los datos medidos, a través del siguiente estándar de la Comisión Electrotécnica

Internacional (IEC):

IEC 61724. Photovoltaic system performance monitoring. Guidelines for measurement, data Exchange and analysis.

Sin embargo, la aplicación de esta norma no considera un método para la detección fiable y automática de fallos que permita optimizar el comportamiento de las instalaciones y reducir los costes de operación y mantenimiento. Existen algunos métodos de detección de fallos basados en el conocimiento de las condiciones de funcionamiento de la instalación, en particular, de la irradiancia incidente sobre los paneles y la temperatura del aire y de los paneles. En este sentido pueden citarse las siguientes referencias:

- S. Silvestre, A. Chouder, E. Karatepe. Automatic fault detection in grid connected PV systems. Solar Energy 94 (2013)

- M. Tadl, K. Benmouiza, A. Cheknane, S. Silvestre. Improving the performance of PV systems by faults detection using GISTEL approach.

Sin embargo, estos métodos se basan en la incorporación de elementos de medida externos a la instalación o en el tratamiento de imágenes provenientes de satélites, lo que acarrea sobrecostes, falta de disponibilidad e incertidumbre y, por tanto impide la generalidad del método. No se resuelve, por tanto, la detección de fallos basándose en los datos propios de la instalación, esto es, en la producción medida por los contadores de energía. La presente invención se desarrolla con el fin de mejorar las limitaciones existentes en el estado de la técnica en este sector.

Por último, en el contexto de la presente invención, son conocidas las patentes US2012084027A1 , que presenta un sistema y un método para la monitorización del funcionamiento de un sistema fotovoltaico; EP 2019433 A1 , que propone un sistema de medida de la característica l-V de módulos fotovoltaicos; y US 201 1 133764 A1 , DE 10201 1107365 A1 y EP 2587274 A1 , que presentan sistemas de análisis basados en la medida de las corrientes y tensiones de un generador. No obstante, la primera invención desarrolla un sistema de monitorización añadido a la planta fotovoltaica y no cuantifica las pérdidas energéticas asociadas a los fallos en el funcionamiento. Asimismo, los sistemas y procedimientos de las otras 4 patentes sólo permiten analizar errores que afecten al generador, como por ejemplo el análisis de sus características de corriente y tensión, y no al conjunto del sistema fotovoltaico (que incluye también seguidor, cableado, inversor, transformador, ... ); suponen la interrupción del funcionamiento del sistema para su evaluación; y no permiten la cuantificación temporal de las pérdidas energéticas, además de necesitar dispositivos adicionales para realizar las medidas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención resuelve el problema técnico de detectar, de una manera precisa y automática, la aparición de fallos en sistemas fotovoltaicos centralizados, así como de calcular las pérdidas energéticas asociadas a los mismos.

De una manera novedosa, el procedimiento propuesto por la presente invención detecta los fallos en la operación de cada una de las unidades productivas en que se divide un sistema fotovoltaico centralizado asociándolos con descensos en la estabilidad de las producciones del conjunto de las unidades de producción. Esta estabilidad se relaciona directamente con la disponibilidad energética de cada unidad.

La particular composición de los sistemas fotovoltaicos centralizados, compuestos por varias unidades independientes, permite calcular la disponibilidad energética como la relación entre la energía real producida por un sistema y la que hubiera producido dicho sistema en ausencia de anomalías en su funcionamiento. Para ello se aprovecha la particularidad de que dos sistemas fotovoltaicos en el mismo emplazamiento, si están libres de anomalías, entregan energía a una tasa parecida. Así, la ausencia de anomalías se identifica con la estabilidad en su productividad relativa en dos periodos de tiempo distintos, tal y como se muestra en la ecuación:

donde E es la energía producida, A y B dos periodos distintos de tiempo y 1 y 2 señalan dos unidades fotovoltaicas de una misma central.

Aquí, conviene tener en cuenta alguna consideración:

El periodo A debe estar libre de anomalías para ambos sistemas, para establecer una referencia en la relación entre producciones.

El sistema 1 debe no tener anomalías en su funcionamiento durante el periodo B.

De este modo se detectan los posibles fallos que aparezcan en la unidad 2 durante el periodo B. La aplicación de este método permite, además, cuantificar la energía perdida por cada fallo.

En la práctica, incluso en periodos totalmente carentes de anomalías, siempre existe alguna pequeña dispersión en el comportamiento energético relativo de dos unidades, debidas principalmente a diferencias en el grado de suciedad o de sombreado, o la variación de la temperatura por el efecto de la velocidad del viento. De ahí que el concepto de ausencia de anomalías en dos unidades no deba asimilarse a la estricta igualdad de sus producciones relativas en los períodos considerados, sino a un cierto margen en torno a ella. Los experimentos realizados al respecto sugieren que el margen del 2% es razonable.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra la configuración de un sistema fotovoltaico centralizado conectado a la red eléctrica.

La figura 2.- Muestra un ejemplo del cálculo de la estabilidad de las producciones relativas durante 15 días en un sistema fotovoltaico centralizado compuesto por 10 unidades. Se pueden apreciar la diferencia en algunas producciones.

La figura 3.- Muestra la detección automática de fallos en el funcionamiento aplicado al caso de la figura 2, así como la cuantificación de la energía perdida.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La figura 1 muestra los elementos de un sistema fotovoltaico centralizado en los que se aplica la presente invención, incluyendo un generador fotovoltaico (1), un inversor (2), y un contador de energía (3). El generador fotovoltaico (1) está formado por la asociación en serie y en paralelo de módulos fotovoltaicos. El inversor (2) convierte la corriente continua generada por el generador fotovoltaico (1) en corriente alterna y hace operar a este último en su punto de máxima potencia. El contador (3) registra la energía generada por el sistema.

Una realización del procedimiento para detectar los fallos en la producción de una instalación fotovoltaica durante un periodo determinado, basado en las descripciones anteriores, contendría las siguientes etapas:

Instalación de un registrador (4), que permita acceder y registrar los datos de energía generada por el contador (3) y los inversores (2) de cada una de las unidades que componen el sistema fotovoltaico centralizado.

Envío de los datos de energía producida registrados.

Cálculo de la productividad asociada a cada sistema, tanto en el periodo analizado como en el de referencia. Cálculo de la relación entre las productividades para cada una de las unidades.

Detección de fallos derivada de una pérdida de estabilidad en la relación de productividad.

La figura 2 muestra un ejemplo del cálculo de la estabilidad de las producciones relativas durante 15 días en un sistema fotovoltaico centralizado compuesto por 10 unidades. Se ha tomado uno de los días como periodo de referencia sin fallos. Se pueden apreciar claramente las pérdidas de estabilidad. La figura 3 muestra la detección de los fallos para este ejemplo, así como la cuantificación de la energía perdida para cada caso.

Las aplicaciones industriales de esta invención se encuentran en el marco de:

Empresas de mantenimiento que necesitan detectar automáticamente la presencia de fallos y reducir así sus altos costes de operación.

Propietarios de centrales que necesitan conocer la productividad eléctrica real de centrales fotovoltaicas, a través de su disponibilidad energética, en el marco de análisis de su rentabilidad financiera.

Empresas auditoras energéticas que necesitan calcular la disponibilidad energética de sistemas fotovoltaicos centralizados para proceder a la auditoría de su funcionamiento.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S

1.- Procedimiento para la detección automática de fallos en el funcionamiento de sistemas fotovoltaicos centralizados, así como el diagnosis de sus causas, basándose en el análisis de la disponibilidad energética de los propios sistemas fotovoltaicos centralizados, que en cada caso estarán formados por varias unidades de producción equiparables con un generador fotovoltaico (1), un inversor (2) y un contador de energía (3), caracterizado por que comprende las siguientes fases operativas:

Obtener los datos de energía producida en cada una de las unidades que componen el sistema fotovoltaico centralizado y durante el periodo analizado, a partir de las lecturas de los contadores de energía (3) o de la monitorización de los inversores (2);

Calcular la productividad asociada a cada sistema a lo largo del tiempo, así como la relación entre ellas mediante la ecuación;

E, E,

Donde E es la energía producida; A y B los periodos distintos de tiempo, mientras que 1 y 2 corresponden a sendas unidades fotovoltaicas de una misma central.

Analizar posibles pérdidas de estabilidad en la relación de productividad de las distintas unidades a lo largo del tiempo, de manera que la pérdida de estabilidad se asocia a un fallo de operación. Cuantificar perdida asociada a cada fallo a partir de la aplicación de la ecuación anterior.

2.- Instalación para la puesta en práctica del procedimiento de la reivindicación 1^a, caracterizada porque en la misma participan unidades de producción equiparables correspondientes a un sistema fotovoltaico centralizado, que comprende un generador fotovoltaico (1), un inversor (2), un contador de energía (3), y un registrador (4) que se utiliza para la obtención de los datos de la energía generada por los contadores de energía (3).